Al bijna een halve eeuw astrofysici en organische chemici zijn op jacht geweest naar de oorsprong van C ₆ H ₆ , de benzeenring - een elegante, hexagonaal molecuul bestaande uit 6 koolstofatomen en 6 waterstofatomen.

Astrofysici zeggen dat de benzeenring de fundamentele bouwsteen zou kunnen zijn van polycyclische aromatische koolwaterstoffen of PAK's, de meest elementaire materialen gevormd door de explosie van sterven, koolstofrijke sterren. Die wervelende massa materie zou uiteindelijk vorm geven aan de vroegste vormen van koolstof - voorlopers van moleculen waarvan sommige wetenschappers zeggen dat ze verband houden met de synthese van de vroegste vormen van leven op aarde.

Paradoxaal genoeg, PAK's hebben een donkere kant, te. De industriële processen achter raffinaderijen voor ruwe olie en de interne werking van door gas aangedreven verbrandingsmotoren kunnen PAK's uitstoten, die kan sneeuwballen in giftige luchtverontreinigende stoffen zoals roet.

Precies hoe de eerste benzeenring gevormd uit sterren in het vroege heelal - en hoe verbrandingsmotoren de chemische reactie veroorzaken die de benzeenring verandert in verontreinigende roetdeeltjes - hebben wetenschappers lang verbijsterd.

Maar nu, onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), de Universiteit van Hawaï in Manoa, en Florida International University hebben de eerste real-time meting gedemonstreerd, met behulp van laboratoriumgebaseerde methoden, van onstabiele deeltjes genaamd vrije radicalen die reageren onder kosmische omstandigheden, waardoor elementaire koolstof- en waterstofatomen samensmelten tot primaire benzeenringen.

De onderzoekers zeggen dat hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , zijn essentieel om te begrijpen hoe het universum evolueerde met de groei van koolstofverbindingen. Dat inzicht kan de auto-industrie ook helpen om schonere verbrandingsmotoren te maken.

Een type vrije radicaal genaamd de propargylradicaal (C ₃ H ₃ ) is extreem reactief vanwege de neiging om een ​​elektron te verliezen, en is al tientallen jaren betrokken bij roetvorming. Onderzoekers geloofden dat de recombinatie van twee vrije propargylradicalen, C ₃ H ₃ · + C ₃ H ₃ ·, gaf aanleiding tot de eerste aromatische ring, benzeen.

De huidige studie is de eerste demonstratie van de zogenaamde "radicale propargyl-zelfreactie" onder astrochemische en verbrandingsomstandigheden. Met behulp van een hoge temperatuur, chemische reactor ter grootte van een muntstuk, de "hete straalpijp, "De onderzoekers simuleerden de hogedruk, omgeving met hoge temperaturen in een verbrandingsmotor en in de koolwaterstofrijke atmosfeer van Saturnusmaan Titan, en observeerde de vorming van isomeren - moleculen met dezelfde chemische formule maar verschillende atomaire structuren - van twee propargylradicalen die leidden tot de benzeenring.

De hot-nozzle-techniek, welke mede-senior auteur Musahid Ahmed, senior stafwetenschapper bij de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab, 10 jaar geleden aangepast in Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) voor synchrotron-experimenten, vertrouwt op vacuüm ultraviolet (VUV) spectroscopie om individuele isomeren te detecteren. De ALS is een soort deeltjesversneller die bekend staat als een synchrotron en die extreem heldere lichtstralen genereert, variërend van infrarood tot röntgenstralen.

De onderzoekers stuurden de techniek om de zelfreactie van de propargylradicaal te stoppen - die zich binnen microseconden ontvouwt - net voordat grotere PAK's en daaropvolgende roetvorming optreden. Het overtuigende resultaat ondersteunt voorspellingen van experimenten onder leiding van mede-senior auteur Ralf Kaiser, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Hawaï in Manoa, en kwantumchemiesimulaties geformuleerd door co-senior auteur Alexander Mebel, hoogleraar scheikunde aan de Florida International University.

Ze geloven dat de bevinding ooit zou kunnen leiden tot schonere verbrandingsmotoren. Efficiëntere gasmotoren hebben, sommige analisten zeggen, blijft belangrijk, want het kan nog wel 25 jaar duren voordat we het hele wagenpark van gasauto's kunnen vervangen door elektrische voertuigen (EV's). Verder, het uitrusten van vliegtuigen en de gasaangedreven component van hybride plug-in EV's met schonere verbrandingsmotoren kan de CO .-uitstoot helpen verminderen ₂ emissies die bijdragen aan klimaatverandering.

Ahmed zei dat hij van plan is de methoden die worden gebruikt om PAK-groei te bestuderen, uit te breiden, en onderzoek naar andere systemen die relevant zijn voor de DOE-missie, zoals waterontzilting en milieuwetenschap.

"We zouden ook graag een buckyball gaan vangen, C ₆₀ , een van de grootste aanwijzingen van de natuur voor de geheimen achter symmetrie, ' zei Achmed.

Kaiser voegde eraan toe dat hun onderzoek astronomen zou kunnen helpen een koolstofkaart van het universum te maken, en richt je op de kosmische oorsprong achter de koolstofstructuren van DNA.